曹 娜，黃 坤，于 群，李 琰，王 真

?

基于動(dòng)態(tài)勵(lì)磁電流的雙饋風(fēng)機(jī)組控制策略

曹 娜1，黃 坤1，于 群1，李 琰2，王 真2

(1.山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 100192)

針對(duì)定子勵(lì)磁電流動(dòng)態(tài)過程對(duì)雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)電機(jī)組(DFIG)暫態(tài)特性的影響，在傳統(tǒng)控制策略基礎(chǔ)上，分析了故障時(shí)定子勵(lì)磁電流的變化過程及其對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組暫態(tài)特性的影響，建立了計(jì)及定子勵(lì)磁電流動(dòng)態(tài)過程的DFIG控制模型。在PSCAD/EMTDC仿真平臺(tái)上，對(duì)傳統(tǒng)控制策略和改進(jìn)后的控制策略進(jìn)行了仿真比較。結(jié)果表明，在電網(wǎng)故障下，改進(jìn)后的控制策略比傳統(tǒng)控制策略能更有效地抑制轉(zhuǎn)子側(cè)輸出電流的波動(dòng)，提高了機(jī)組的暫態(tài)穩(wěn)定性和不間斷運(yùn)行能力，驗(yàn)證了其正確性和有效性。

雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)電機(jī)組；定子勵(lì)磁電流；PSCAD；控制策略；電網(wǎng)故障

0 引言

在電網(wǎng)故障時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)端電壓會(huì)降低，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子過電流、直流側(cè)母線過電壓、轉(zhuǎn)矩振蕩等一系列暫態(tài)過程[1-4]，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和電力電子變流器的安全運(yùn)行產(chǎn)生了嚴(yán)重威脅。因此，研究電網(wǎng)故障狀態(tài)下風(fēng)電機(jī)組的電磁暫態(tài)過程有著重要的意義。

故障時(shí)，風(fēng)電機(jī)組暫態(tài)特性與外部電網(wǎng)運(yùn)行工況、控制系統(tǒng)、硬件結(jié)構(gòu)等諸多因素有關(guān)，本文主要研究控制系統(tǒng)對(duì)于風(fēng)電機(jī)組暫態(tài)特性的影響。文獻(xiàn)[5]考慮到雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)電機(jī)組網(wǎng)側(cè)控制與機(jī)端電壓相位跳變這兩個(gè)因素，建立了DFIG故障暫態(tài)模型，研究了雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)電機(jī)組故障狀態(tài)下的暫態(tài)運(yùn)行特性；文獻(xiàn)[6]采用了一種基于電網(wǎng)電壓定向的滅磁控制策略，有效地減小了雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)電機(jī)組在故障狀態(tài)下運(yùn)行的暫態(tài)過渡時(shí)間；文獻(xiàn)[7]在控制策略中考慮到主、漏磁路的飽和因素，討論研究了電網(wǎng)發(fā)生三相短路故障時(shí)雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行特性。

目前，轉(zhuǎn)子側(cè)控制策略廣泛采用基于定子磁鏈定向矢量控制和基于定子電壓定向矢量控制，文獻(xiàn)[8-12]和文獻(xiàn)[13-15]分別采用這兩種矢量控制并對(duì)其進(jìn)行了仿真研究，在上述研究中，針對(duì)文章所提出的研究問題忽略了定子勵(lì)磁電流的動(dòng)態(tài)過程，在電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，仿真結(jié)果表明采用這兩種矢量控制都能使雙饋風(fēng)電機(jī)組獲得良好的運(yùn)行特性。轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器的最大輸出電流是在電網(wǎng)故障下制約DFIG發(fā)電系統(tǒng)不間斷運(yùn)行能力的重要因素之一，在電網(wǎng)故障時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)電流波動(dòng)很大，影響控制策略的有效性，可能會(huì)導(dǎo)致控制失誤。計(jì)及定子勵(lì)磁電流能夠有效地減小電網(wǎng)故障對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)輸出電流的影響[16]。因此在傳統(tǒng)控制策略的基礎(chǔ)上應(yīng)計(jì)及定子勵(lì)磁電流的變化過程，建立DFIG控制系統(tǒng)模型。

本文在PSCAD環(huán)境[17]下搭建了雙饋風(fēng)機(jī)的模型，在轉(zhuǎn)子側(cè)控制策略中計(jì)及定子勵(lì)磁電流動(dòng)態(tài)過程，建立了DFIG控制系統(tǒng)模型。通過仿真比較驗(yàn)證了在電網(wǎng)電壓驟降時(shí)，計(jì)及定子勵(lì)磁電流能夠有效地抑制轉(zhuǎn)子側(cè)輸出電流的波動(dòng)，提高機(jī)組的暫態(tài)穩(wěn)定性。

1 ?DFIG的數(shù)學(xué)模型

兩相任意旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下DFIG的數(shù)學(xué)模型[18]。

1.1 磁鏈方程

定子磁鏈方程

轉(zhuǎn)子磁鏈方程

(2)

1.2 電壓方程

定子電壓方程

轉(zhuǎn)子電壓方程

(4)

1.3 轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動(dòng)方程

轉(zhuǎn)矩方程

運(yùn)動(dòng)方程

(6)

(8)

2 ?計(jì)及定子勵(lì)磁電流動(dòng)態(tài)過程的轉(zhuǎn)子側(cè)控制策略

雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器的控制目標(biāo)是：①?在變速恒頻前提下實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤，關(guān)鍵是雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速或有功功率的控制；②?雙饋發(fā)電機(jī)輸出無(wú)功功率的控制，以保證所并電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。由于雙饋發(fā)電機(jī)輸出有功功率和無(wú)功功率與轉(zhuǎn)子、軸電流分量密切相關(guān)，轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器的控制目的就是實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子、軸電流分量的有效控制。

本文轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器控制策略采用基于定子磁鏈定向矢量控制，由此可得定子磁鏈的、軸分量分別為，。

令定子勵(lì)磁電流矢量

將式(9)代入式(2)中得

將式(9)和式(10)代入DFIG電壓方程得

如此，式(11)就是一個(gè)計(jì)及了定子勵(lì)磁電流動(dòng)態(tài)過程的DFIG數(shù)學(xué)模型。

由式(11)中的定子電壓方程可得

將式(12)代入轉(zhuǎn)子電壓方程可得

(13)

在定子磁鏈定向條件下，式(13)可寫成如下軸分量形式

雙饋發(fā)電機(jī)輸出的有功、無(wú)功功率與轉(zhuǎn)子側(cè)輸出電流、軸分量之間的關(guān)系如下：

(15)

由式(15)可知，控制策略采用定子磁鏈定向時(shí)，雙饋發(fā)電機(jī)輸出的有功、無(wú)功功率分別與轉(zhuǎn)子側(cè)輸出電流的、軸分量有關(guān)。

因此可得出改進(jìn)后的轉(zhuǎn)子側(cè)控制策略。整個(gè)控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制，電機(jī)輸出的無(wú)功功率和電機(jī)的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制為外環(huán)控制，分別產(chǎn)生轉(zhuǎn)子軸和軸的電流分量參考值；內(nèi)環(huán)控制為電流控制環(huán)。

首先，將檢測(cè)到的電機(jī)輸出無(wú)功功率和電機(jī)轉(zhuǎn)速作為外環(huán)控制的反饋值，從減少轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電源雙PWM變換器損耗的角度考慮，將電機(jī)輸出無(wú)功功率的指令值設(shè)定為0；電機(jī)轉(zhuǎn)速的指令值由風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速特性確定。將檢測(cè)到的定、轉(zhuǎn)子電壓電流，經(jīng)過坐標(biāo)變換，通過計(jì)算得出定子磁鏈。將電機(jī)轉(zhuǎn)速指令、無(wú)功功率指令與電機(jī)轉(zhuǎn)速、無(wú)功功率反饋值進(jìn)行對(duì)比，差值經(jīng)由PI調(diào)節(jié)器可以分別得出轉(zhuǎn)子電流、軸分量指令值、，再和轉(zhuǎn)子電流反饋量、比較，其差值經(jīng)由PI調(diào)節(jié)器后輸出電壓分量、，、加上傳統(tǒng)控制策略中的電壓反饋項(xiàng)和改進(jìn)策略中引入的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償項(xiàng)——定子勵(lì)磁電流的微分項(xiàng)，它在傳統(tǒng)控制中常常被視為零而將其忽略。原理如圖1所示。

圖1 計(jì)及定子勵(lì)磁電流動(dòng)態(tài)過程的基于定子磁鏈定向轉(zhuǎn)子側(cè)控制策略原理圖

3 ?仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證當(dāng)電網(wǎng)故障時(shí)，在轉(zhuǎn)子側(cè)控制策略計(jì)及定子勵(lì)磁電流能夠有效地抑制電流波動(dòng)，在PSCAD平臺(tái)上搭建了1.5 MW的DFIG變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，其仿真參數(shù)如下：額定功率1.5 MW，額定電壓0.69 kV，慣性常數(shù)為0.85 s，定轉(zhuǎn)子匝比為0.3，定子電阻為0.007 06，轉(zhuǎn)子電阻為0.005，定子漏感為0.171，轉(zhuǎn)子漏感為0.156，勵(lì)磁電感為2.9(以上參數(shù)均為標(biāo)么值)。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

1：改進(jìn)策略；2：傳統(tǒng)策略

圖2 電網(wǎng)故障時(shí)改進(jìn)和傳統(tǒng)定子勵(lì)磁定向矢量控制仿真結(jié)果對(duì)比

Fig. 2 Comparison of simulation results between the traditional scheme and improved control scheme under gridfault

圖2(a)和圖2(b)為轉(zhuǎn)子側(cè)輸出電流、軸分量波形，電網(wǎng)故障時(shí)，、軸的電流最大值出現(xiàn)在=2.006?s，此時(shí)，傳統(tǒng)控制策略下=-2.78，= 2.42；改進(jìn)的控制策略下=-2.21，=1.60。通過對(duì)比可以看出，改進(jìn)控制策略下電流波動(dòng)要比傳統(tǒng)控制策略下小很多，、軸電流分量分別減小20.5%、33.9%。表明計(jì)及定子勵(lì)磁電流的改進(jìn)控制策略能夠有效地抑制電流波動(dòng)，防止了電網(wǎng)故障時(shí)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器過電流的發(fā)生。

圖2(c)為雙饋電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩波形，電網(wǎng)故障時(shí)，轉(zhuǎn)矩的最大值出現(xiàn)在=2.004?s，此時(shí)，傳統(tǒng)控制策略下TE=-3.48；改進(jìn)的控制策略下TE=-2.42。通過對(duì)比可以看出，改進(jìn)的控制策略下電磁轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)幅度比傳統(tǒng)控制策略下小，減小了30.5%。有效地減小了電磁轉(zhuǎn)矩在電網(wǎng)故障期間對(duì)風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)機(jī)械應(yīng)力的沖擊，延長(zhǎng)了轉(zhuǎn)軸機(jī)械系統(tǒng)的工作壽命。

圖2(d)和圖2(e)為雙饋電機(jī)輸出的有功和無(wú)功功率，故障解除恢復(fù)期間，在2.15~2.35 s之間，傳統(tǒng)控制策略下，有功功率的波動(dòng)幅度為2.24，無(wú)功功率的波動(dòng)幅度為1.33；改進(jìn)的控制策略下，有功功率的波動(dòng)幅度為1.59，無(wú)功功率的波動(dòng)幅度為1.05。通過對(duì)比可以看出，改進(jìn)的控制策略下，兩者的波動(dòng)幅度減小了，有功和無(wú)功分別減小了29%和21%。

圖2(f)為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在=2.16 s時(shí)，轉(zhuǎn)速值最大，此時(shí)傳統(tǒng)控制策略下轉(zhuǎn)速值為1.27，改進(jìn)的控制策略下轉(zhuǎn)速值為1.28。通過對(duì)比可以看出，改進(jìn)的控制策略對(duì)轉(zhuǎn)速的控制并沒有太大幫助。

4 ?結(jié)論

傳統(tǒng)的控制策略都是在假定電網(wǎng)電壓恒定、忽略DFIG定子勵(lì)磁電流動(dòng)態(tài)過程的條件下得到的，電網(wǎng)故障時(shí)會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子側(cè)過電流、轉(zhuǎn)矩震蕩等危害。定子勵(lì)磁電流在電網(wǎng)故障時(shí)是變化的，本文在傳統(tǒng)控制策略的基礎(chǔ)上，計(jì)及定子勵(lì)磁電流的動(dòng)態(tài)過程，建立了DFIG控制策略模型。

仿真結(jié)果表明，電網(wǎng)故障時(shí)，與傳統(tǒng)控制策略相比，改進(jìn)后的控制策略使轉(zhuǎn)子側(cè)電流波動(dòng)減小了20%~30%，電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)減小了30.5%。改進(jìn)后的控制策略能夠有效地抑制電網(wǎng)故障時(shí)轉(zhuǎn)子側(cè)電流以及電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)。提高了機(jī)組的不間斷運(yùn)行能力。

在以后的研究中，重點(diǎn)研究基于改進(jìn)控制策略的風(fēng)電機(jī)組動(dòng)態(tài)特性對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性及繼電保護(hù)的影響。

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(編輯 姜新麗)

A control strategy of doubly-fed induction generator based on dynamic process of excitation current

CAO Na1, HUANG Kun1, YU Qun1, LI Yan2, WANG Zhen2

(1. College of Electrical Engineering and Automation, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China; 2. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China)

According to the influence of the dynamic process of stator excitation current on the transient characteristics of doubly-fed induction generator (DIFG), this paper, on the basis of traditional control strategy, analyzes the change process of fault stator excitation current and its effect on DIFG’s transient characteristics, establishes the DIFG control model including the dynamic process of stator excitation current. This paper compares the traditional control strategy with improved control strategy on the simulation platform of PSCAD/EMTDC. The results show that the improved control strategy can suppress the fluctuation of rotor-side current more effectively under grid voltage fault, and enhance uninterrupted operation capacity and transient stability. By simulation, the correctness and validity of the control strategy are proved.

doubly-fed induction generator; stator excitation current; PSCAD; control strategy; grid fault

10.7667/PSPC150894

2015-05-29；

2015-12-22

曹 娜(1971-)，女，通信作者，博士，副教授，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電技術(shù)；E-mail: caona_2006@163.com 黃 坤(1990-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化；E-mail: huangkun_2009@126.com 于 群(1970-)，男，博士，副教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化。